張 凱，徐玉建

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調(diào)峰型天然氣液化流程影響因素分析

張 凱，徐玉建

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

調(diào)峰型天然氣液化流程是實際生產(chǎn)過程中比較實用的天然氣液化工藝流程。通過HYSYS模擬軟件，模擬計算調(diào)峰型天然氣液化流程在LNG儲存壓力、混合冷劑（N2+CH4）以及高（低）壓制冷劑壓力不同值時的效果，并計算分析液化流程達(dá)到最佳效果時各影響因素的取值范圍,為實際工藝流程設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

HYSYS；調(diào)峰型天然氣液化流程；LNG儲存壓力；混合冷劑（N2+CH4）；高（低）壓制冷劑壓力。

天然氣是一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔的能源,低溫液化后體積縮小620倍,十分有利于運輸和儲存[1]。我國天然氣液化技術(shù)是一項新興的技術(shù),正在迅速發(fā)展，但技術(shù)領(lǐng)域與歐洲和北美等發(fā)達(dá)國家存在一定差距[2]。

HYSYS是一個化工流程模擬動態(tài)仿真軟件，是一款環(huán)境模擬設(shè)計軟件，允許設(shè)計者通過概念上的設(shè)計而簡化制作過程來完成項目工作[3]。本文通過學(xué)習(xí)李士富等人應(yīng)用HYSYS軟件建立的天然氣液化處理工藝模型知識[4]，建立調(diào)峰型天然氣液化工藝流程。模擬計算分析LNG儲存壓力、混合冷劑（N2+CH4）以及高（低）壓制冷劑壓力對天然氣液化工藝流程的影響規(guī)律。

1 調(diào)峰型工藝流程

采用HYSYS軟件模擬調(diào)峰型氮氣膨脹制冷天然氣液化流程，計算選擇PR狀態(tài)方程，工藝流程如圖1所示，由原料天然氣冷卻流程和冷劑制冷循環(huán)兩大部分構(gòu)成。該天然氣液化流程主要包括：大冷箱、小冷箱、節(jié)流閥、水冷器、天然氣分液罐、分子篩干燥器、冷劑膨脹機、壓縮機、儲罐[6]。

1.1 基本參數(shù)及原料氣組成

該流程中原料氣溫度：35 ℃；原料氣壓力：2 670 kPa；原料氣流率：1 935.5 kmol/h；組成冷劑：100%的N2，原料氣的組成成分如表1所示。

表1 原料氣組成

Table 1 Feed gas composition %(mol)

組分C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5n-C6CO2N2He 組成91.682.40.860.570.030.010.010.013.90.520.01

1.2 冷劑制冷循環(huán)

1.2.1 冷劑增壓過程

N2冷劑(30 ℃，200 kPa，8 760 kmol/h)在液化流程過程中先進(jìn)入圖1中的冷劑一級壓縮機進(jìn)行增壓，形成254.9 ℃，850 kPa的物流10，接著通過水冷器1進(jìn)行冷卻，直到N2冷劑的溫度達(dá)到35 ℃。通過冷卻后的物流11進(jìn)入冷劑二級壓縮機再一次進(jìn)行加壓直至物流達(dá)到355 ℃，6 000 kPa，進(jìn)入水冷器2進(jìn)行冷卻，當(dāng)物流溫度達(dá)到35 ℃，將物流打入冷劑循環(huán)2裝置中，作為熱流送入大冷箱進(jìn)行換熱。

1.2.2 冷箱制冷循環(huán)

通過冷劑增壓過程的N2冷劑形成35 ℃，5 980 kPa的物流14，作為熱流送入大冷箱中進(jìn)行換熱處理，直至物流溫度冷卻至-60 ℃，打入冷劑膨脹機中進(jìn)行膨脹，當(dāng)膨脹過程中的冷劑物流達(dá)到-160℃，220 Pa時作為冷流進(jìn)入小冷箱換熱處理，對原料天然氣制冷。從小冷箱中流出的物流17(-104 ℃，210 kPa）送入大冷箱繼續(xù)換熱處理，直至從大冷箱流出的物流18與冷劑物流相同時，打入冷劑循環(huán)1裝置中，接著進(jìn)入冷劑一級壓縮機進(jìn)行加壓，至此，冷劑制冷循環(huán)結(jié)束。

1.3 原料天然氣冷卻流程

基本條件為30 ℃，3 000 kPa，1 935.5 kmol/h的原料氣通過分子篩干燥器去除原料氣中的CO2，脫除CO2的原料氣物流進(jìn)入大冷箱中進(jìn)行制冷，當(dāng)原料氣物流在大冷箱中達(dá)到-60 ℃，2 980 kPa，

1 860 kmol/h條件時，進(jìn)入小冷箱中再一次制冷。從小冷箱中流出的物流3(-141 ℃，2 980 kPa，1 860 kmol/h)通過節(jié)流閥減壓，當(dāng)物流壓力達(dá)到250 kPa時，打入分液罐。從分液罐頂部流出的氣相物流6被送入小冷箱中進(jìn)行換熱處理，對凈化后的天然氣物流進(jìn)行制冷，從小冷箱中流出的物流7(-109.5 ℃，240 kPa，126 kmol/h)在大冷箱中作為冷流進(jìn)行換熱處理，處理后的物流作為原料氣供工藝流程其他設(shè)施使用。從分液罐底部分離出的天然氣產(chǎn)品液化率可達(dá)到93.23%。

圖1 調(diào)峰型天然氣液化工藝流程

2 工藝流程影響因素

2.1 LNG儲存壓力

LNG儲存壓力即分離器底端液相出口最終得到的液化天然氣產(chǎn)品壓力，該壓力直接影響原料天然氣的液化率以及冷劑循環(huán)過程的能耗[5]。在保持天然氣液化工藝過程中最終溫度不變的情況下，改變LNG儲存壓力，調(diào)整參數(shù)使流程收斂,計算在不同的儲存壓力下天然氣液化率和總能耗值的變化曲線，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在200~1 000 kPa儲罐壓力范圍內(nèi)，隨著儲存壓力的升高，天然氣液化率逐漸增加，液化流程總能耗也隨之增加，并且天然氣的液化率都達(dá)到93%以上，但儲存壓力的確定需結(jié)合儲罐承壓能力和冷劑循環(huán)能耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來確定[5]，從圖2中天然氣液化率和總能耗的變化曲線可看出，當(dāng)工藝流程中儲罐壓力為600~700 kPa時，天然氣液化率達(dá)到95%以上而且流程中總能耗不高，因此，600~700 KPa可作為LNG儲罐壓力參考設(shè)計范圍。

圖2 LNG儲存壓力對調(diào)峰型液化流程的影響

2.2 氮與甲烷混合制冷劑

在調(diào)峰型天然氣液化工藝流程中，采用相同的計算模型、操作條件，分別模擬計算不同組分含量的氮（N2）與甲烷(CH4)作為混合冷劑對LNG收率和總能耗的影響。其中，冷劑循環(huán)總能耗為冷劑一級壓縮機、水冷器1、冷劑二級壓縮機、水冷器2能耗的總和，模擬計算過程中沒有將考慮冷劑膨脹機釋放能流的回收考慮在內(nèi)。在進(jìn)行模擬過程中開始前，制冷劑的配比、溫度必須保證壓縮機入口的制冷劑為氣態(tài)，以防壓縮機發(fā)生液擊現(xiàn)象造成損失。計算得出混合冷劑氮含量與LNG產(chǎn)品收率和冷劑循環(huán)總能耗的關(guān)系曲線如圖3所示。

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從圖3、4氮和甲烷對天然氣液化率和總能耗影響的變化曲線可看出，混合冷劑（N2+CH4）的組成對LNG收率和冷劑循環(huán)總能耗均有影響：冷劑中氮含量在50%至90%之間時，加入甲烷對LNG產(chǎn)品收率幾乎無影響；但在氮含量低于50%后繼續(xù)加入甲烷，則LNG收率顯著下降;使用混合冷劑可使冷劑循環(huán)總能耗下降，有助于節(jié)能，且加入甲烷含量越多，總能耗越低。通過比較氮制冷劑與混合冷劑（N2含量50%，CH4含量50%）得出的計算結(jié)果顯示：兩種冷劑制冷得到的LNG產(chǎn)品收率幾乎相同（97.5%），而混合冷劑制冷循環(huán)流程較純氮制冷節(jié)能5.97%。因此，在氮制冷劑中混合10%至50%的甲烷可以在保證LNG收率的前提下顯著節(jié)能。

圖3 氮制冷劑對LNG收率和總能耗的影響

圖4 甲烷制冷劑對LNG收率和總能耗的影響

2.3 高壓制冷劑壓力

高壓制冷劑壓力[6]，是指制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后的壓力。在工藝流程模擬過程中，制冷劑高壓壓力是指圖1中物流12的壓力。通過模擬不同值下的冷劑壓縮后的壓力，模擬計算得到不同壓力下，天然氣液化流程中天然氣液化率、比功耗的值，變化曲線如圖5。

從圖5可看出，天然氣液化率隨著高壓制冷壓力的增大而增大，但制冷劑高壓壓力在范圍3~4MPa之間時，天然氣液化流程過程中的比功耗急劇下降，這是因為在該段壓力區(qū)間內(nèi)，冷劑提供給液化工藝流程中的冷量隨著高壓制冷劑壓力的增大而增大，造成流程過程中可回收膨脹功得到增加；天然氣液化流程過程中冷量的增加，致使天然氣從冷箱中獲取的冷量也得到增加，但流程中的壓縮機的功耗會因為冷劑提供過多的冷量溫度降低而降低。隨著高壓制冷壓力的增大，流程中的壓縮機消耗的功逐漸增大，增大的幅度大于冷量提供過多導(dǎo)致壓縮機功耗的幅度，最終導(dǎo)致高壓制冷劑壓力高于4 MPa后，天然氣液化流程中比功耗逐漸增加。綜合考慮冷劑提供的冷量大小和高壓制冷劑壓力大小，比功耗曲線圖才會呈現(xiàn)出先急劇下降后緩慢上升的趨勢。

圖5 高壓制冷劑壓力對液化率和比功耗的影響

Fig. 5 Effect of high-pressure refrigerant pressure on liquefied rate and power consumption

2.4 低壓制冷劑壓力

制冷劑低壓壓力[6]是指制冷劑進(jìn)入壓縮機前的壓力。在工藝流程模擬過程中，制冷劑低壓壓力是指圖1中物流名稱為冷劑的壓力。通過模擬不同值下的冷劑進(jìn)入壓縮機前的壓力，模擬計算得到不同壓力下，天然氣液化流程中天然氣液化率、比功耗的值，變化曲線如圖6。

通過工藝流程中比功耗液化率變化曲線，可看出，制冷劑低壓壓力在范圍在0.1~0.4 MPa內(nèi)，隨著低壓制冷劑壓力的逐漸增大，天然氣液化流程中比功耗逐漸下降[6]，當(dāng)壓力達(dá)到0.35 MPa時，比功耗急劇下降，而天然氣液化率逐漸增加且變化幅度幾乎不變。這是因為隨著膨脹機出口壓力的增大，制冷劑的溫度會因為出口壓力的增大而增大，提供給冷箱中的冷量會相應(yīng)減少，天然氣因得不到足夠的冷量導(dǎo)致液化率降低，為了保持換熱器熱量平衡，溫度會上升。在天然氣液化工藝流程中，若低壓壓力過高，制冷劑膨脹量減少，致使深冷換熱器冷量不足，冷熱流體之間的溫差減少;若低壓壓力繼續(xù)升高，將會導(dǎo)致主換熱器出現(xiàn)溫度交叉而不能達(dá)到設(shè)計溫度，因此，制冷劑低壓壓力不可過高[6]。

圖6 低壓制冷劑壓力對液化率和比功耗的影響

Fig 6 Effect of low-pressure refrigerant pressure on liquefied rate and power consumption

3 結(jié) 論

（1）流程設(shè)計過程中，LNG 儲罐壓力可選擇600~700 kPa作為參考設(shè)計范圍，在該范圍內(nèi)天然氣液化率達(dá)到95%以上而且流程中總能耗不高。

（2）該流程中混合冷劑（N2+CH4）的組成比例對LNG收率和冷劑循環(huán)總能耗均有影響，通過模擬計算可得出：在氮制冷劑中混合10%至50%的甲烷可以在保證LNG收率達(dá)到97.5%的前提下顯著節(jié)能。

（3）流程模擬過程中，制冷劑低壓壓力設(shè)計不可過高，過高會導(dǎo)致冷換熱器冷量不足，而達(dá)不到所設(shè)計的溫度，造成不必要的損失。

［1］ 郭彥鑫. 天然氣液化技術(shù)與應(yīng)用研究[D]. 西安石油大學(xué)，2011.

［2］ 石玉美，顧安忠，汪榮順，等. 混合制冷劑循環(huán)（MRC）液化天然氣流程的設(shè)備模擬[J]. 低溫與超導(dǎo)，2000，28(2)：41-46.

［3］ 王通旭. 小型撬裝式天然氣膨脹液化流程及裝置的研究[D]. 北京工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］ 李士富，韓志杰. 基本負(fù)荷型天然氣液化HYSYS軟件計算(一)[J]. 石油與天然氣化工，2009，38(5)：371-374.

［5］ 龐博學(xué)，方立，范恩慶，劉天元，董吳雷. 混合制冷劑天然氣液化工藝流程計算[J]. 當(dāng)代化工，2015，44（7）：1645-1650.

［6］ 龐博學(xué). 氮膨脹制冷天然氣液化工藝流程計算[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(7)：13-15.

Analysis on Influence Factors of Peak Shaving Type Natural Gas Liquefaction Process

ZHANG Kai，XU Yu-jian

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Peak shaving type natural gas liquefaction process is practical in the actual production of natural gas liquefaction. In this article, simulation calculation of the peak shaving type natural gas liquefaction process was carried out under different LNG storage pressure, mixed refrigerant (N2+ CH4) and high (low)-pressure refrigerant pressure; and data range of various influencing factors of liquefaction process to achieve the best effect were determined. Research results can provide theoretical guidance for practical process design.

HYSYS; peak shaving type natural gas liquefaction process; storage pressure of LNG; mixed refrigerant（N2+CH4）; high (low)-pressure refrigerant pressure

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1230-04

2016-03-27

張凱（1993-），男，江西省景德鎮(zhèn)市人，碩士，2015年畢業(yè)于長江大學(xué)，油氣儲運工程。E-mail：1742531036@qq.com。